Ziel der Entwicklung
In vielen industriellen Bereichen wie bei Röntgenstrahlsystemen, Spritzgießformen und Umformwerkzeugen, optischen Elementen oder Komponenten für die Luft- und Raumfahrtindustrie sind Bauteile mit sehr hohen Oberflächengüten erforderlich. Zur Endbearbeitung stehen für das Erreichen sehr glatter Oberflächen verschiedene Finishbearbeitungsverfahren zur Verfügung. Diese Verfahren werden häufig manuell ausgeführt. Diese aufwändigen, anspruchsvollen und zeitintensiven Arbeiten können häufig nur durch sehr gut ausgebildetes Personal ausgeführt werden. Andere bekannte Verfahren wie das elektrochemische Polieren dagegen müssen auf speziellen Maschinen ausgeführt werden, sodass zusätzliche Umspannvorgänge und damit ebenfalls manuelle Arbeiten notwendig sind.
Eine besondere Schwierigkeit entsteht bei der Finishbearbeitung schwer zugänglicher und innen liegender Funktionsoberflächen sowie bei der selektiven Politur einzelner Bereiche von Bauteilen. Chemische Polierverfahren, die im Tauchverfahren durchgeführt werden, sind zur selektiven Bearbeitung nicht geeignet. Die verwendeten meist wässrigen Lösungen bearbeiten alle zugänglichen Innen- und Außenflächen. Mit elektrochemischen Verfahren kann eine gezielte, örtlich begrenzte Bearbeitung erreicht werden, sofern die Lage und Form der zu polierenden Oberfläche für eine Formkathode zugänglich sind. Diese Verfahren sind darüber hinaus häufig langwierig und teuer.
Ziel des Projektes war daher die Entwicklung und Umsetzung einer neuartigen Technologie sowie geeigneter Werkzeuge und Vorrichtungen bzw. eines Bearbeitungssystems zum inversen magnetabrasiven Polieren der inneren Stirnflächen para- und diamagnetischer Werkstücke. Im Zuge des Projektes wurden mehrere Konzepte für die technologische Prozessgestaltung entwickelt, empirisch untersucht und Strategien sowie ein geeignetes Bearbeitungssystem für eine teilautomatisierte, effiziente Polierbearbeitung entwickelt und aufgebaut. Das neuartige Verfahren wurde an verschiedenen Werkstoffen und Probengeometrien evaluiert.
Zur effizienten Bearbeitung von Werkstücken wurde ein Prototyp eines Bearbeitungssystems entwickelt und aufgebaut, mit dem bis zu 7 Werkstücke zeitgleich bearbeitet werden können. Hierzu wurde ein Kinematiksystem auf Basis eines Planetengetriebes konzipiert, bei dem die Werkstücke für eine reproduzierbare und präzise Bearbeitung gleichmäßig im Inneren der Stegräder bewegt werden. Die Funktionalität des entwickelten Bearbeitungssystems wurde anhand eines realisierten Prototyps erprobt. Weiterhin wurde ein Ansatz für eine akustische Prozessüberwachung als Grundlage für die Autonomisierung des Bearbeitungsprozesses erprobt.
Vorteile und Lösungen
Es wurde zunächst eine Bearbeitungstechnologie basierend auf dem magnetabrasiven Polieren entwickelt, mit der ferromagnetisches, abrasiven Pulver im inneren von para- und diamagnetischen Werkstücken bewegt werden kann. Mit diesem Bearbeitungsverfahren kann eine gezielte Finishbearbeitung innenliegender Stirnflächen umgesetzt werden, mit der Bearbeitungsergebnisse in Polierqualität erzielt werden können. Die Rauheit der Stirnflächen von Probewerkstücken aus austenitischem Edelstahl konnte im Mittel von etwa Ra0,Edelstahl = 0,71 µm auf RaMAP,Edelstahl = 0,46 µm reduziert werden. Auch bei der Bearbeitung der Nichteisenmetalle Messing und Aluminium wurden ebenfalls gute Ergebnisse erreicht. Die Rauheit gedrehter Oberflächen konnte von etwa Ra0,Alu = 0,67 µm beim Aluminium bzw. Ra0,Messing = 0,70 µm beim Messing durch das inverse MAP-Verfahren auf etwa RaMAP,Alu = 0,37 µm bzw. RaMAP,Messing = 0,46 µm reduziert werden. Mit der Technologie können im Vergleich zu bekannten Polierverfahren insbesondere innenliegende Oberflächen von Werkstücken mindestens teilweise selektiv und automatisiert wiederholgenau bearbeitet werden.
Um die Technologie in ein einsatzfähiges Fertigungssystem zu überführen, wurde ein entsprechender Demonstrator entwickelt und umgesetzt. Um die Werkstücke für eine homogene Bearbeitung im Magnetfeld bewegen und rotieren zu können, wurde auf das Konzept eines Planetengetriebes gesetzt. Die Werkstücke werden hierbei ins Innere der Stegräder eingesetzt, sodass sie um ihre eigene Achse rotieren und gleichzeitig vor einer rotierenden Magnetanordnung bewegt werden. Mit diesem Prototypen eines Bearbeitungssystems können bis zu sieben Werkstücke parallel bearbeitet werden. Das Einlegen der Werkstücke kann aufgrund der langsamen Rotation des Systems durch eine Öffnung im laufenden Betrieb erfolgen. Mit dem neuartigen Verfahren zur inversen magnetabrasiven Bearbeitung können sieben Werkstücke in einem Durchlauf automatisiert und wiederholgenau bearbeitet werden.
Es ist eine Politur von Werkstücken aus verschiedenen paramagnetischen Werkstoffen wie austenitischen Edelstählen, Aluminiumlegierungen und Buntmetallen möglich.
Zielgruppe und Zielmarkt
Das entwickelte Verfahren zum magnetabrasiven Polieren innenliegender Stirnflächen para- und diamagnetischer Werkstücke richtet sich insbesondere an Anwendungen im Präzisionsmaschinenbau, der Automobilindustrie, der Medizintechnik sowie der Fluid- und Ventiltechnik. Im Rahmen der bisherigen Untersuchungen wurden austenitische Edelstähle, Messingwerkstoffe und Aluminiumlegierungen als Zielwerkstoffe betrachtet.
Der Einsatz des entwickelten Verfahrens bietet Anwendern eine Reihe von Vorteilen. So kann die bislang häufig erforderliche aufwändige und kostenintensive manuelle Polierbearbeitung deutlich reduziert oder vollständig ersetzt werden. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren eine reproduzierbare und gleichbleibend hohe Oberflächenqualität der bearbeiteten Werkstücke.
Durch die Möglichkeit, mehrere Werkstücke parallel und reproduzierbar zu bearbeiten kann der Aufwand für Nacharbeiten reduziert und die Prozesssicherheit erhöht werden. Zusätzlich eröffnet die entwickelte Lösung Potenziale für eine weitergehende Automatisierung des Bearbeitungsprozesses, beispielsweise durch die Integration eines Industrieroboters. Somit können Fertigungskosten effektiv reduziert werden.
Quantitativ adressiert das entwickelte Verfahren einen kleinen, jedoch wirtschaftlich relevanten Teilmarkt innerhalb der europäischen Oberflächen- und Präzisionstechnik. Nach Angaben des VDMA sind dem europäischen Maschinen- und Anlagenbau mehrere tausend Unternehmen zuzuordnen. Darüber hinaus beschäftigt die Präzisionswerkzeugindustrie allein in Deutschland rund 57.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Der Bereich der Galvano- und Oberflächentechnik erwirtschaftet in Deutschland ein Marktvolumen von rund 7,5 Milliarden Euro, während das europaweite Marktvolumen nach Angaben des ZVO Zentralverband Oberflächentechnik e. V. bei etwa 45 Milliarden Euro liegt. Insgesamt sind in der europäischen Oberflächenbranche rund 440.000 Personen beschäftigt.
Vor dem Hintergrund steigender Anforderungen an die Miniaturisierung, die Herstellung funktionaler Oberflächen sowie die Automatisierung hochpräziser Fertigungsprozesse ist künftig mit einem wachsenden Bedarf an spezialisierten Polier- und Feinbearbeitungsverfahren zu rechnen. Das entwickelte Verfahren besitzt daher insbesondere für hochpräzise Nischenanwendungen ein relevantes wirtschaftliches Potenzial.
Ein Beispiel hierfür ist die Röntgentechnik, in der hochglanzpolierte Komponenten für die Strahlführung benötigt werden. Für diesen Anwendungsbereich wird ein Anstieg des Marktvolumens von rund 13 Mio. USD im Jahr 2022 auf etwa 17 Mio. USD im Jahr 2028 prognostiziert. Darüber hinaus ergeben sich auf Grundlage der im Projekt erzielten Ergebnisse weitere potenzielle Anwendungsfelder, unter anderem in der Mess- und Röntgentechnik, der optischen Industrie sowie der Medizintechnik.
